JP2003505324A - エピタキシャルウエハ基板用に強化されたｎ型シリコン材料及びその製造方法 - Google Patents

エピタキシャルウエハ基板用に強化されたｎ型シリコン材料及びその製造方法

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Abstract

(57)【要約】 エピタキシャル基板用に強化されたｎ+シリコン材料及びそれを製造する方法が記載される。該強化材料は、これら基板に基づくｎ/ｎ+エピタキシャルウエハのゲッタリング特性を改良する。このようなｎ+シリコン材料の製造方法は、それぞれのＣＺ結晶を成長させる前に、シリコン溶融物中の通常のｎドーパントに炭素の共ドーピングを施すことを包含する。これは、結晶成長における強化ｎ+シリコン材料の収率を高め、最終的に、このようなｎ/ｎ+エピタキシャルウエハがデバイス製造に利用されるときに、デバイス収率の安定化を高める。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 （発明の分野） 本発明は、一般的に電力分散又は電力集積回路のような半導体デバイスの形成
に使用するシリコン基板ウエハ製造の分野に関する。
【０００２】 （発明の背景） 半導体デバイスは、磨きウエハ又はエピタキシャルウエハのどちらかに造られ
る。後者は、磨きウエハ基板のトップ上のエピタキシャル(epi)層から成る。Epi
層は、典型的に低濃度の電気活性ドーパント、通常はリン(ｎ型伝導性)又はホウ
素(ｐ型伝導性)、典型的には約1015原子cm-3のドーパントを含む。多くの場合、
基板は、リン、アンチモン、又はヒ素(ｎ型)又はホウ素(ｐ型)でありうる典型的
には1018〜1019原子cm-3範囲の高濃度のドーパント原子を含む。それぞれのドー
パント種の溶解限度に近接したドーパントレベルが、最先端技術の電力デバイス
用途に重要な要求であるepiウエハ基板の抵抗率を下げるために必要である。こ
のような高レベルのｎ−ドーパントを含有するシリコン材料は、通常ｎ+材料と
呼ばれる。それぞれのｎ+結晶から薄切りにされたこのようなシリコン材料は、
最終的なｎ/ｎ+epiウエハ用のｎ+基板の製造に使用される。
【０００３】 シリコン溶融物を保持するために使用される石英ガラス(ＳｉＯ2)るつぼの溶
解によるチョクラルスキー法(Czochralski)(CZ)を応用した結晶の成長に酸素が
取り込まれる。溶融シリコンは、ＳｉＯ2るつぼ壁と反応してＳｉＯを生成する
。そのＳｉＯのいくらかが、一般にシリコンの結晶成長に使用される温度及び圧
力でその溶融物から蒸発する。しかし、いくらかは溶融物中に残留し、成長結晶
に取り込まれうる。溶融物が凝固すると、その溶融物とるつぼ壁との間の接触領
域が減少するが、ＳｉＯの蒸発に利用可能な溶融表面の領域は、結晶の成長が終
わるまで実質的に一定のままである。従って、溶融物中の酸素の濃度、ひいては
結晶中に取り込まれる濃度は、結晶の種末端からの距離が増すほど減少する傾向
にある。これは、何の対策もしないと、典型的に結晶の末端に向かって酸素濃度
を減らすことを示す軸方向の酸素プロフィルを導く。高濃度のｎ型ドーパントが
シリコン溶融物中に存在すると、結晶成長時のＳｉＯの蒸発を促進し、それゆえ
成長性ｎ+結晶に取り込まれる酸素の量をさらに減じ、このような結晶の末端に
向かってひどく減らす軸方向の酸素プロフィルを導く。いずれの最先端技術の対
策もなければ、このようなＣＺｎ+結晶の全長の特定パーセンテージに到達後、
このような材料が後に熱デバイス製造工程で加工されるときに、通常、十分な酸
素の沈殿が生じるのに必要なレベル以下に酸素濃度が下がってしまう。十分な酸
素沈殿のために要求されるレベル以下に酸素レベルが下がった場合の結晶の長さ
は、臨界結晶長、略してＬCと呼ばれる。
【０００４】 epiウエハ基板中の酸素沈殿は、熱デバイス製造工程時の重金属のコンタミネ
ーションによるデバイス収率の低下を制御するのに通常利用される内部ゲッタリ
ング(ＩＧ)に必須である。このような低下は、A.Borghesi,B.Pivac,A.Sassela及
びA.Stellaによる「シリコン中の酸素沈殿」という表題の文献、Journal of App
lied Physic,Vol.77,No.9,1995年5月1日,pp.4169-4244、4206-07に記載されてい
る。有効なＩＧは、109原子cm-3のオーダーの見掛け空孔密度に関連する酸素沈
殿で観察された。この見掛け空孔密度は、有効なＩＧに対する臨界であり、以後
臨界空孔数ＮCと呼ぶ。このような高空孔密度ｎ+基板に基づくエピタキシャルｎ
/ｎ+ウエハは、優れたＩＧ関連漏れ抵抗を示し、それによってデバイス収率を非
常に改善する。デバイス加工時に熱誘導される酸素沈殿は、結晶中に酸素を大量
に導入する必要が生じるepiウエハ基板中のｎ型ドーパント原子の場合は抑制さ
れる。これにより、1019原子cm-3オーダーのヒ素濃度を有するＣＺ結晶は、有効
なＩＧに必要なＮCに到達するために、約８×1017原子cm-3(ASTM 121-83 校正)
を必要とすることが、本発明者らによって実験的に決定された。いずれの最先端
技術の対策もなければ、ＬCは、この場合全結晶長の10％未満である。今まで、
本質的にＬCを高める努力は、一般的に酸素取入れの軸方向の変化に向けられて
きた。現在軸方向で酸素レベルを均一化するために使用されている方法は、結晶
の引くスピードを調整すること、及び結晶及びるつぼの回転を利用することを含
み、すべてを併用して、引きチャンバー内のガスの流れ及び圧力を制御する。他
の方法は、結晶成長時に規定磁場を掛けることである。これら対策は、技術的に
複雑であり、及び／又は高コストを伴う。
【０００５】 シリコンウエハ中に炭素が存在すると、酸素の沈殿を促進することが知られて
いる。例えば、Ahlgrenら,欧州出願番号84109528.4の７ページの26〜33行目に、
４ppma(２×1017原子cm-3)(ASTM 123-76 校正)以上の炭素濃度を有するシリコン
が、より低濃度の炭素でも極僅かな酸素沈殿を誘発するであろう熱処理後に、28
ppma(1.4×1018原子cm-3)未満の酸素(ASTM 121-79 校正)を含有するシリコン中
に実質的な酸素沈殿を誘発することを教示している。当該研究は、上述したよう
な通常の手段による炭素の添加に言及しているようである。従って、当該研究は
、1984年に使用された入手可能な装置の結果として必要な「エビル(evil)」とし
て導入された炭素を受け入れ、成長した結晶の長さに沿って炭素含量を量って、
どの部分を有利に使用できるかを決定している。このような炭素の導入は制御さ
れず、かつ主にプラー(puller)構造に使用されるグラファイト部分に依る。結晶
プラーの現在の技術では、グラファイトヒーター及び絶縁体を使用するにもかか
わらず、５×1015原子cm-3以下の炭素レベルを維持することができる。さらに、
この欧州出願は、ｎ型又はｐ型ドーピング材料の存在について何ら言及しておら
ず、基板用の軽くドープされたシリコン結晶に関するものである。
【０００６】 結晶成長における炭素のコンタミネーションを減じるための開発は、最初は、
ウエハの臨界デバイス領域内に特定の濃度レベルで存在する場合の炭素の有害な
デバイス衝撃の実験的証拠によって駆使されていた。epiウエハ基板の場合、炭
素はシリコン内では遅いディフューザなので、炭素は臨界デバイス領域(通常、
基板のトップ上に堆積されたepi層中に配置される)に入ることはほどんど考えら
れない。たとえそうでも、現在のepiウエハの仕様は、通常未だに1016原子cm-3
以下の炭素濃度を必要とする。
【０００７】 （発明の概要） 本発明は、シリコン結晶を成長させる方法であって、所定量の炭素が制御され
た様式で添加されて、所望の酸素沈殿レベルを生じさせる方法に関する。この方
法は、２×1017原子cm-3よりかなり低い炭素レベルのｎ+ドープ型シリコンepi基
板に有効である。炭素濃度の急速な増加は、その結晶への取込みがその分離挙動
によって制御されるので、炭素が共ドープされた結晶の末端に向かってのみ観察
される。 ＣＺシリコンの非常に低濃度のこのような炭素ドーピングは、高度なｎドープ
型材料内の酸素沈殿を非常に高めることができる。さらに、共ドープされた炭素
、酸素濃度及びアニーリング後の見掛け空孔密度の間には関係があり、有効な内
部ゲッタリングに必要な見掛け空孔レベルを達成するのに添加すべき炭素の量を
予め決定することを可能にする。この確立された方法論が、エピタキシャルウエ
ハ基板用に強化されたｎ型シリコン材料を導く簡単かつ低コストの結晶成長法を
発達させる。 本発明のさらなる目的及び特徴は、図面と共に以下の詳細な説明及び特許請求
の範囲からさらに容易に明らかになるだろう。
【０００８】 （好ましい実施態様の説明） 図１は、本発明の使用に好適なチョクラルスキー法による引き装置のいくつか
の形態の１つである。石英るつぼ１１は、引きチャンバー１３の内側に配置され
る。石英るつぼ１１は、回転ボトムシャフト１５に取り付けられている。石英る
つぼ１１内の溶融物Ｍを加熱して温度を制御するために、石英るつぼ１１の回り
に、ヒーター１７が設けられている。溶融物は、最初はシリコンであるが、ドー
パントを含まない。ヒーター１７と引きチャンバー１３との間に、熱保持管１９
が設けられている。熱保持管１９の上端面に、環状支持部材２１が取り付けられ
ている。
【０００９】 ＣＺ法によってシリコン単結晶を製造するため、多結晶シリコンと所望のドー
パント、例えばＰ、Ｂ、Ｓｂ又はＡｓが石英るつぼ１１内に置かれる。引きシャ
フト上のブラケット２９に種晶が取り付けられて支持される。引きチャンバー１
３が真空にされ、かつヒーター１７が多結晶シリコンとドーパントを融かす。ア
ルゴンのような不活性キャリヤガスが、入口３１から、石英るつぼ１１の回りの
引きチャンバー１３中を通り、吐出し３３から排出される。同時に、石英るつぼ
１１内の溶融物中に種晶が浸漬される。そして、引きシャフトが、石英るつぼ１
１と関連して回転しながら所定速度で種晶を引き出す。
【００１０】 図２及び図３は、1019原子cm-3のオーダーのヒ素でドープされた100mm径のシ
リコン結晶中の酸素及び炭素濃度の軸方向分布を示す。この結晶を成長させる前
に、初めに、30kgの溶融シリコンチャージに150mgの炭素が加えられた。この２
つのグラフから、酸素と炭素の反対の濃度特性が明かである。炭素が共ドープさ
れたｎ+結晶は、結晶全長に渡って多くの酸素の取込みを維持する手段を用いな
い場合でさえ、最終的に漏れ抵抗性ｎ/ｎ+エピタキシャルウエハを製造するため
のｎ+基板を製造するのに必要な潜在的に高−空孔−密度材料とういう点で、非
常に高収率である。
【００１１】 図４は、シリコン溶融物に添加された炭素の関数として、結晶収率が増加する
ことを示している。図４から、最初の溶融シリコンチャージに添加して、前記チ
ャージから、標準的な成長法を用いて、また規定のウエハアニーリング法を利用
して、成長させられた結晶の規定部分又は全長にわたる見掛け空孔密度の所望最
小レベルを達成するためにそのチャージに添加しなければならない炭素の量を決
定する簡単な方法が確立されていることが明白である。例として、研究室試験で
、1019原子cm-3のオーダーのヒ素濃度を有する基板材料は、1.9×1016原子cm-3
という軽い炭素ドーピングのみが適用される場合、約7.5×1017原子cm-3の酸素
濃度で、ＮC限界(有効な内部ゲッタリングのための)に達することがわかった。
これは、1016原子cm-3未満の炭素濃度レベルという本技術の典型的状態で必要な
8.0×1017原子cm-3以上の実質的な向上である。結晶の種末端における炭素濃度
が4.3×1016原子cm-3に増加されると、酸素は、さらに6.25×1017原子cm-3に減
らされうる。従って、炭素ドープ結晶においては、軸方向の酸素の変化を減らす
こと(結晶末端に向けて酸素濃度を増やすこと)によってＬCを高める必要は無い
か、又は非常に少ない。
【００１２】 図５に示されるグラフを検討すると、炭素の共ドーピングレベルの範囲に渡っ
て必要な酸素濃度を推定する簡単な方法が確立されていることがわかる。図４中
のデータ点「ａ」、「ｂ」及び「ｃ」と、図５中の対応するデータ点「ｄ」、「
ｅ」及び「ｆ」は、100mm径の３つの高ヒ素ドープ結晶を比較する試験から導か
れた。これら結晶中のヒ素濃度が標的にされて、1.8×1019原子cm-3(結晶種)か
ら3.8×1019原子cm-3(結晶末端)に増やした。シリコンチャージを融かした後、3
0kgチャージのポリシリコンに、ヒ素ドーパントの対応量が添加された。第１結
晶は、意図的に炭素を添加せずに(図４及び図５中、それぞれデータ点「ａ」及
び「ｄ」)成長させた。第２結晶は、50mgだけの高純度炭素を溶融物に添加後成
長させ(図４及び図５中、それぞれデータ点「ｂ」及び「ｅ」)、第３結晶は、15
0mgの高純度炭素を添加した(図４及び図５中、それぞれデータ点「ｃ」及び「ｆ
」)。軸方向の酸素プロフィルを均一化するためには何も付加的対策を施さなか
った。結果として、炭素レベルが異なる３つの結晶は、匹敵する軸方向の酸素プ
ロフィルを有する：酸素濃度は、結晶種における8.3×1017原子cm-3から、結晶
末端における4.0×1017原子cm-3に下がっている。
【００１３】 要約すると、エピタキシャルウエハ用の基板における有効な内部ゲッタリング
に必要な臨界見掛け空孔密度レベルは、炭素ドーピング無しの材料と比較して、
それぞれの結晶材料の非常に低い酸素レベルで到達できる。これら結晶から得ら
れたウエハについて沈殿試験を行うと(結晶の位置の関数としてのＮCの評価)、
炭素共ドーピングは、有効な内部ゲッタリングに必要な酸素沈殿特性を有する(
ＮC＞109原子cm-3)臨界結晶長を増やすことがわかった。炭素共ドーピングを有
するこれら結晶の高沈殿部分のほぼ直線的な増加がある(図４)。例えば、150mg
の炭素が最初のシリコンの30kgチャージに添加された場合、結晶の全長の50％以
上がＬCを超えている。有効な内部ゲッタリングを起こすために必要な酸素濃度
は、添加される炭素に明確な様式で連関している(図５)。これは、炭素共ドーピ
ングが、このような結晶中の酸素濃度を高めかつ軸方向に均一化するための複雑
及び／又は高価な手段に代えて、epiウエハ基板用に使用されるｎ+材料中の酸素
沈殿制御に利用できることを意味している。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明での使用に好適なチョクラルスキー法による引き装置の側面断面図であ
る。
【図２】 本発明に係る炭素原子で共ドープされた高ヒ素ドープ結晶の長さに沿った酸素
濃度の軸方向分布を示すグラフである。
【図３】 図２と同様のグラフであるが、本発明に係る炭素原子で共ドープされた高ヒ素
ドープ結晶の長さに沿った炭素濃度の軸方向分布を示す。
【図４】 溶融物に添加された炭素量の関数としての内部ゲッタリングに好適な成長結晶
のパーセンテージを示すグラフである。
【図５】 溶融物に添加された炭素量の関数としての内部ゲッタリングに必要な酸素濃度
を示すグラフである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 トッド ヴォルカー アール アメリカ合衆国 オレゴン州 97330 コ ーヴァリス ノース ウェスト インガー プレイス 4772 (72)発明者 フクト ノブロ アメリカ合衆国 オレゴン州 97302 セ イラム ホリデイ ドライヴ サウス 3235 (72)発明者 スネジレフ ボリス エイ アメリカ合衆国 オレゴン州 97071 ウ ッドバーン パルム アベニュー 395 (72)発明者 キム スン バエ アメリカ合衆国 オレゴン州 97302 セ イラム インデペンデンス ドライヴ サ ウス イースト 4698 Ｆターム(参考） 4G077 AA02 BA04 CF10 EB01 HA12 5F045 AB02 AF03 AF16

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 以下の工程を含んでなるｎ+シリコン材料の製造方法。 シリコン溶融物にｎ+材料のドーパントを施す工程； そのシリコン溶融物に炭素の共ドーパントを施す工程；及び 前記溶融物に種晶を施し、かつチョクラルスキー法で、該溶融物から該種を引き
    出すことによって結晶を成長させる工程。
  2. 【請求項２】 前記ｎ+ドーパントが、ヒ素である請求項１に記載のｎ+シリ
    コン材料の製造方法。
  3. 【請求項３】 前記ヒ素のｎ+ドーパントが、少なくとも1019原子cm-3の濃
    度である請求項２に記載のｎ+シリコン材料の製造方法。
  4. 【請求項４】 前記ｎ+ドーパントが、アンチモンである請求項１に記載の
    ｎ+シリコン材料の製造方法。
  5. 【請求項５】 前記アンチモンのｎ+ドーパントが、少なくとも1018原子cm- 3 の濃度である請求項４に記載のｎ+シリコン材料の製造方法。
  6. 【請求項６】 前記ｎ+ドーパントが、リンである請求項１に記載のｎ+シリ
    コン材料の製造方法。
  7. 【請求項７】 前記リンのｎ+ドーパントが、少なくとも1019原子cm-3の濃
    度である請求項６に記載のｎ+シリコン材料の製造方法。
  8. 【請求項８】 前記炭素の共ドーパントが、少なくとも1016原子cm-3の濃度
    である請求項１、２、３、４、５、６又は７のいずれか１項に記載のｎ+シリコ
    ン材料の製造方法。
  9. 【請求項９】 以下を有するエピタキシャル基板用に強化されたｎ+シリコ
    ン結晶材料。 少なくとも1018原子cm-3の濃度のｎ+材料のドーパント；及び 少なくとも1016原子cm-3の濃度の炭素の共ドーパント。
  10. 【請求項１０】 前記ｎ+材料のドーパントが、少なくとも1019原子cm-3の
    濃度のヒ素である請求項９に記載のエピタキシャル基板用に強化されたｎ+シリ
    コン結晶材料。
  11. 【請求項１１】 前記ｎ+材料のドーパントが、アンチモンである請求項９
    に記載のエピタキシャル基板用に強化されたｎ+シリコン結晶材料。
  12. 【請求項１２】 前記ｎ+材料のドーパントが、リンである請求項９に記載
    のエピタキシャル基板用に強化されたｎ+シリコン結晶材料。
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